是宇称。
既然你问的是本质,那就先紧着本质说。现在一般认为的最本质理论肯定是量子电动力学啦,所以不管什么样的电子过程,都可归到 CPT 联合变换上。
CPT=电荷共轭、空间反演、时间反演。
时间反演涉及到自旋的问题,在化学反应中有时候也会起作用,但这里先不说自旋的问题。
所以主要就是电荷共轭跟空间反演,这两个操作互不对易时就出现了简并态,相当于空间上出现了两个最低能量相当的双势阱。对应于化学反应中,就是电子转移前后,反应物与生成物的反应坐标上的势能面。
化学反应为什么一定要发生,就是因为当电子处在其中某一个势阱中时,它破坏了空间反演对称性,或者叫宇称,所以同时向另一个势阱中分布,以恢复宇称。
为什么会有宇称?当两个原子或基团靠近时,系统的哈密顿量主要由它们之间的偶极矩贡献时,就产生了宇称。
类似的情况也发生在光激发过程。光的位移电流扮演偶极矩角色,为了保证宇称不变,电子必须要从偶宇称的基态,跃迁到奇宇称的激发态上。
量子隧穿亦是基于此原理。之所以能够无视中间的高势垒隧穿过去,宇称的保持至关重要。
在物理底层上,对称性比能量的高低更本质。对称性不满足,再低的能量态也是禁止的。固体中的禁带因此而出现。
这也是为什么,理论化学家沿用唯能论的传统思想来理解电子转移,出现了许许多多不自洽的情况。化学反应理论的补丁已经把一件光鲜的衣裳打成了百衲衣。
从 Arrhenius 到 Marcus,活化能那套基本诠释体系始终未变。BO 近似搞不定了就加非谐性。这种不断修补的范式导致现代化学反应的研究变得越来越琐碎。
我一直倡导用宇称和简并来理解化学反应过程,这对于习惯了杂化轨道理论的化学家确实不太好接受。他们好不容易从单双键交替的苯环,过渡到了大 pi 键的大圆环,现在又要改回单双键,情绪上有点接受不了,可以理解。
即使在光化学中,光电转换已经几乎不可能不用对称性来描述的情况下,很多化学家还是会倔强地尽可能绕开,或干脆来一句:这个还没研究清楚。
主要还是因为太过于习惯“能量”这个唯象参数,凭什么要让位给对称性。他们会觉得对称性是物理学家想像出来的玩具,为了所谓的理论美的强迫症而生。
但他们好像忘了自由能极小也是物理学家提出的。
说白了就是变分法用什么做底层判据的问题,物理上面走得过于突前了,后面的没跟上。
当然,并不是一句对称性就能解决所有问题,那也太玄学了。还是需要从哈密顿量建模,到量子动力学演化,到退相干后的热化过程,再到与 Marcus 的 Kinetics 合流。打通理论全链条,才能改弦更张。这个活儿太大,现在会做的人还太少。
不过趋势已经起来了,我发现越来越多年轻的化学家已经开始接受这种动力学思想。时代终究是会发展的。